一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法技术

本发明专利技术提供一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，涉及矿山安全技术领域。该方法首先获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的岩石力学参数，并计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度、临界地应力及临界采动峰值应力；同时计算待防冲钻孔施工巷道的临界采动应力指数实现冲击危险性的量化；再确定钻孔冲击的临界条件及钻孔冲击与巷道冲击地压启动的临界条件的定量关系；最后根据巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度、钻孔冲击的临界塑性软化区半径和临界采动应力指数，量化确定防冲钻孔的施工参数；本发明专利技术方法定量确定冲击地压巷道的防冲钻孔施钻参数，使防冲钻孔的施工设计更科学高效。钻孔的施工设计更科学高效。钻孔的施工设计更科学高效。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法


[0001]本专利技术涉及矿山安全
，尤其涉及一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法。

技术介绍

[0002]近年来冲击地压事故频发，造成了大量的巷道、设备损坏和人员伤亡，严重制约经济发展，威胁井下职工生命安全。科学合理的卸压措施能够通过改变煤岩体的物理力学性质、改造应力环境，降低煤体冲击倾向性与危险性，从而达到有效防治冲击地压的目的。
[0003]防冲钻孔作为有效的主动卸压防治冲击地压的最经济、最有效的防冲方法，应用最为广泛，其技术本质就是通过煤岩施工钻孔实现人工损伤煤体、局部降低围岩承载能力，调控采动应力大小与分布，进而达到提高冲击启动门槛值或消除冲击地压可能性的目的。防冲钻孔参数定量确定方法是钻孔防冲能否起到科学有效卸压效果的关键，钻孔密度过小，无法实现防冲目的，相反，钻孔施工密度过大，巷道将产生围岩大变形失稳，且造成增加施工成本、降低施工效率等问题。因此，合理的防冲钻孔参数的确定方法是钻孔煤体实现防冲治理并保持巷道稳定性的根本前提，也是防冲效能量化评价的重要依据。
[0004]防冲钻孔参数化设计方面，公开号为CN105631102A的中国专利公开了一种深部高应力巷道钻孔卸压参数的数值模拟确定方法，通过实验室对煤岩试样的加卸载试验，拟合煤岩强度参数与损伤变量的衰减关系，将其应用于FLAC3D的应变软化模型中，反演岩体数值模拟计算参数；建立钻孔卸压数值模拟计算模型，模拟确定合理的钻孔卸压施工参数。公开号为CN111175121A的中国专利公开了一种巷道围岩钻孔卸压相似模拟试验系统及使用方法，通过相似材料模拟室内试验，研究分析钻孔卸压参数布置条件下煤岩应力分布规律，建立钻孔卸压参数与防冲效果的定量关系，进一步对防冲钻孔参数化设计进行优化。
[0005]现有的防冲钻孔参数的确定方法均属于定性或统计定量的确定方法，一种为：采用数值模拟方法建立数值模型，通过调整卸压参数，统计定量确定现场施工的钻孔参数；另一种为：采用室内相似材料模拟，通过试验建立的钻孔卸压参数与防冲效果关系，对防冲钻孔参数进行优化设计。然而，研究发现，钻孔煤体损伤卸压程度显著受到煤体冲击倾向性、煤体单轴抗压强度、煤岩残余强度、钻孔直径和钻孔间距、巷道尺寸等诸多参数的影响，而定性或统计定量的钻孔参数确定方法考虑影响因素较为单一，误差较大。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，通过计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化区深度、钻孔冲击发生的临界条件、当前环境应力下巷道冲击危险性，定量确定冲击地压巷道防冲钻孔的施钻参数，使防冲钻孔的施工设计更科学高效。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的岩石力学参数；所述岩石力学参数包括单轴抗压强度σ
c
、弹性模量E、冲击模量指数K＝λ1/E、残余降模量λ2和残余强度系数ξ；其中，λ1为峰后软化模量；
[0009]步骤2：计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度L
pcr
、临界地应力P
cr
及围岩应力集中区的临界采动峰值应力P
mcr
；
[0010]步骤3：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的采动峰值应力P
m
，并优化冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力P
mcr
，计算待防冲钻孔施工巷道的临界采动应力指数K
cr
；
[0011][0012]其中，P
mcr*
为优化的待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力；
[0013]步骤4：确定钻孔冲击发生的临界条件；
[0014]计算钻孔冲击发生的临界破碎区半径r
dcr
、临界塑性软化区半径r
pcr
和临界环境应力P
hcr
，如下公式所示：
[0015][0016][0017][0018]其中，为钻孔冲击发生时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力，区对塑性软化区的作用应力，为巷道围岩塑性软化区的煤岩介质内摩擦角，区的煤岩介质内摩擦角，为巷道围岩破碎区的煤岩介质内摩擦角，r0为钻孔半径或钻头切削半径；
[0019]步骤5：确定钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的临界条件的关系，满足以下关系式：
[0020]P
mcr*
＞P
cr
＞P
hcr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0021]步骤6：根据巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度L
pcr
、钻孔冲击发生的临界塑
性软化区半径r
pcr
和临界采动应力指数K
cr
，量化确定防冲钻孔的钻孔直径、钻孔深度L
drill
和钻孔间距D
drill
；
[0022]所述钻孔直径根据冲击地压巷道防冲钻孔的布置方式及矿方自身条件确定；
[0023]所述钻孔深度L
drill
基于巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度L
pcr
确定，如下公式所示：
[0024]L
drill
＝η
d
η
L
L
pcr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0025]其中，η
d
为煤层厚度修正系数，当煤层厚度大于0m小于4m时，η
d
的取值范围为0.8≤η
d
≤0.9，当煤层厚度在4～8m时，η
d
的取值范围为0.9＜η
d
≤1.0，当煤层厚度大于8m时，η
d
的取值范围为1.0＜η
d
≤1.2；η
L
为钻孔深度上的防冲安全系数，η
L
有两种确定方法，一种为根据冲击危险性评价的临界采动应力指数K
cr
确定，即η
L
＝0.85+0.5K
cr
；另一种方法为，根据冲击危险性评价的综合指数法得到的冲击危险性等级确定；
[0026]所述钻孔间距D
drill
基于钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径r
pcr
确定，如下公式所示：
[0027]D
drill
＝2η
pcr
r
pcr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0028]将式(3)与式(7)联立，进一步得：
[0029][0030]其中，η
pcr
为防冲钻孔间距上的防冲安全系数，d为防冲钻孔施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的岩石力学参数；步骤2：计算待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度L
pcr
、临界地应力P
cr
及围岩应力集中区的临界采动峰值应力P
mcr
；步骤3：获取待防冲钻孔施工巷道围岩中煤体的采动峰值应力P
m
，并优化巷道冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力P
mcr
，计算待防冲钻孔施工巷道的临界采动应力指数K
cr
；其中，P
mcr*
为优化的待防冲钻孔施工巷道冲击地压启动的围岩应力集中区的临界采动峰值应力；步骤4：确定钻孔冲击发生的临界条件；计算钻孔冲击发生的临界破碎区半径r
dcr
、临界塑性软化区半径r
pcr
和临界环境应力P
hcr
；步骤5：确定钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的临界条件的关系；步骤6：根据巷道冲击地压启动的围岩临界软化深度L
pcr
、钻孔冲击发生的临界塑性软化区半径r
pcr
和临界采动应力指数K
cr
，量化确定防冲钻孔的钻孔直径、钻孔深度L
drill
和钻孔间距D
drill
。2.根据权利要求1所述的一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，其特征在于：步骤1所述岩石力学参数包括单轴抗压强度σ
c
、弹性模量E、冲击模量指数K＝λ1/E、残余降模量λ2和残余强度系数ξ；其中，λ1为峰后软化模量。3.根据权利要求2所述的一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，其特征在于：所述步骤4计算的钻孔冲击发生的临界破碎区半径r
dcr
、临界塑性软化区半径r
pcr
和临界环境应力P
hcr
，如下公式所示：，如下公式所示：，如下公式所示：其中，为钻孔冲击发生时围岩破碎区对塑性软化区的作用应力，
为巷道围岩塑性软化区的煤岩介质内摩擦角，区的煤岩介质内摩擦角，为巷道围岩破碎区的煤岩介质内摩擦角，r0为钻孔半径或钻头切削半径。4.根据权利要求3所述的一种煤矿冲击地压巷道防冲钻孔参数的确定方法，其特征在于：所述步骤5确定钻孔冲击发生与巷道冲击地压启动的临界条件的关系，满足以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：代连朋，潘一山，肖永惠，王爱文，郑文红，刘飞宇，高乾书，郭建霖，
申请(专利权)人：辽宁大学辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：